“三軟”工作面深孔注水防塵技術研究

文/李延河 劉寶敏

河南平禹煤電有限責任公司一礦位于禹州煤田東北部，井田面積13.5km2，礦區煤層主要分布在太原組和山西組，其中山西組二1煤層為主要開采煤層。二1煤體及頂底板松軟破碎，硬度低，屬于典型的“三軟”煤層，工作面在回采和掘進期間產塵量較大，綜合防塵一直是礦井“一通三防”管理工作中的難題，特別是綜采放頂煤工作面，正常生產期間工作面及回風巷粉塵飛揚，最高粉塵濃度達到28.95mg/m3，工作環境差，危害了職工身心健康。同時，由于煤體破碎，工作面在割煤期間極易出現連續大面積煤壁片幫現象，僅維護治理煤壁片幫這一項工作，每班就需要抽調3～5人耗時2小時以上，嚴重制約了安全生產。

為消除安全隱患，改善井下勞動條件，進一步優化綜采工作面回采工藝，保證安全高效生產，平禹一礦采用以深孔注水技術為主的治理優化技術，成功解決了降低回采作業期間產塵量的問題，并實現了綜采放頂煤工作面安全高效生產。

一、工作面概況

13110工作面位于三采區下山東翼第六個工作面，該工作面北臨二1-13091工作面（已采），南臨三采區未開采區域，西臨三采區皮帶下山保護煤柱，東至東井水倉保護煤柱。工作面地面標高+132～+141m，井下標高-328～-216m。工作面采用走向長壁后退式采煤方法，綜采放頂煤工藝。所采二1煤層為“三軟”煤層，可采走向長820m，傾斜長126.5m，可采儲量64.63萬噸。工作面北高南低，平均煤厚5m，煤層結構簡單，局部煤層有0.3m～0.8m夾矸。煤層傾角16°～30°，平均23°。煤層直接頂為中粒砂質泥巖，厚度2.39m，直接底為砂質泥巖或泥巖，煤層厚度變化較大，煤質松軟，賦存條件復雜，回采過程中兩巷動壓區及采面頂板管理難度較大。

二、注水方案及施工設計

采取在工作面風巷沿煤層傾斜方向與煤層傾角平直的方法，施工下行鉆孔作為工作面深孔注水鉆孔，在工作面風巷車場口安裝高壓注水泵，通過專用管路與注水孔連接，實現對工作面煤體不間斷動壓注水。

1.注水設備

注水泵選用BRW200/31.5型乳化液泵，鉆機采用ZDY4000R型全液壓坑道鉆機，鉆桿和鉆頭分別采用Φ73mm三棱螺旋鉆桿和Φ75mm鉆頭，封孔注漿泵采用ZBQ-8/2氣動注漿泵，采用SGS雙功能高壓水表對注水壓力進行監測，配套附件：Φ16mm高壓軟管等。

2.注水時機和鉆孔工藝參數

注水時機指注水工藝和工作面采煤之間的時空配合關系。從時間上來看，由于要求注水能充分濕潤煤體，注水點煤體應該在工作面超前支承壓力影響范圍內，以加快水的注入速度；從空間上則要求注水點不能因距離工作面太近而影響工作面生產。根據相鄰工作面礦壓觀測結果，工作面超前影響范圍在50~80m之間，工作面推進速度為4.2m/d，通過觀測，鉆孔注水經過6~8d可以充分濕潤臨近鉆孔之間的煤體，由此確定注水點應不小于25.2~33.6m，取30m，既滿足注水點在工作面超前影響范圍內，也能保證注水充分濕潤煤體。

鉆孔間距的大小取決于煤層的透水性、煤層厚度及封孔工藝、注水壓力等綜合因素，由于各礦井地質條件不一，觀測得本煤層注水濕潤半徑為5m，根據相近礦井和本煤層的實際條件，確定鉆孔間距10m。

鉆孔深度應由工作面長度確定，該工作面傾斜長度 126.5m，按照《（MT501-1996）長鉆孔煤層注水方法》要求保留工作面下段煤體寬度20~40m（考慮巷道松動泄壓范圍15m），鉆孔設計孔深確定為75m。

鉆孔傾角與煤層傾角一致，隨工作面地質條件和回采條件變化及時調整，施工時考慮鉆桿自重下垂，下行鉆孔施工時一般小于煤層實際傾角2°（注水鉆孔布置如圖1所示）。

圖1 13110注水鉆孔示意圖

3.注水量

單孔注水量Q按下式計算：

式中：Q——單孔注水量，m3；

L——鉆孔深度，L=75m(減去封孔長度，考慮注水濕潤半徑5m)；

B——鉆孔間距，B=10m；

M——開采厚度，取H=2.5m（采面采高）；

γ——煤的容重，γ=1.34t/m3；

q——噸煤注水量，取q=0.02m3/t。

根據鉆孔參數計算得出當鉆孔間距為10m時，單孔注水量為43.55m3。

在實際注水過程中，由于采動和巷道松動圈范圍的限制等因素，單孔注水量一次很難達到設計要求。為保證注水量達標，往往需要不斷提高注水壓力，但一味地提高注水壓力并不能有效解決該問題，實際采用以下技術措施：

（1）控制注水時的最大注水壓力。注水時泵站壓力調整在8~10MPa之間，孔口壓力控制在6MPa以下，防止因注水壓力過大出現管路接頭爆裂、破壞封孔效果，引發注水孔漏水，同時注水壓力達到6MPa時，注水流量開始衰減直至為0。

（2）采用反復、循環、多輪的方法進行注水。反復循環多輪是指：若一號孔注水因注水流量衰減而達不到設計注水量停止注水時，則連接二號注水孔進行注水，當一號注水孔停止注水24h后，重新連接一號注水孔繼續注水，直至達到設計注水量。以此類推，直至所有的注水孔全部達到設計注水量要求。

4.施工組織

平禹煤電公司一礦成立專職注水隊伍，實行“四專”管理，即專業隊伍施工、專用設備打鉆、專項考核驗收、專項資金支持。礦井專門抽調人員在通風維修隊成立本煤層深孔注水小組，采用三班連續作業的方式組織施工（如圖2所示）。注水小組共配備18人，分為打鉆班、檢修班和注水班3個小班，其中注水班6人，每班兩人，分三班進行注水工作；打鉆班6人，負責每天四點班打鉆工作；檢修班6人，負責每天零點班檢修設備，移鉆機、固孔及現場文明衛生等工作。

圖2 13110綜采工作面深孔注水正規循環圖表

三、實施效果分析

1.理論分析

深孔注水技術是由被動防塵措施向主動防塵措施轉變的一次重大突破，注水后煤層含水量增加，水濕潤了煤體內的原生煤塵，使其失去飛揚能力，并有效地包裹煤體的細小部分，當煤體破碎時，避免了細粒煤塵的飛揚。水的濕潤作用使煤的塑性增加，脆性減弱，當煤體受外力作用時，許多脆性破碎變為塑性變形，因而大量減少了煤體破碎為塵粒的可能性，降低了產塵量。同時，由于煤層經過水的充分濕潤后，其原生結構發生變化，塑性增加，能有效控制煤壁片幫，防止冒頂事故的發生，有利于工作面的頂板管理。

2.效果檢驗

圖3 13110綜采工作面煤層含水量圖

取樣測試分析表明，工作面注水后煤層含水分最高達到6.15%，平均達到5.37%，較注水前的2.8%平均增加了2.57個百分點，增幅達到91.2%（如圖3所示）。

回風側粉塵濃度明顯下降，工作面割煤期間由粉塵量原來的28.95mg/m3下降至10.62mg/m3，降塵率達到了63.3%（如表1所示）。注水前，采煤工作面單產5萬噸左右，采取注水措施后，不僅煤壁片幫、冒頂現象得到有效控制，而且由于生產環境的改善，為采面回采作業解放了生產時間，提高了工作效率和安全生產保障，回采工作面單產達到了8萬噸，創造了較好的經濟效益。

表1 13110綜采工作面粉塵量統計

四、結語

煤層注水后含水量的增加使原生煤塵失去飛揚能力，避免了煤體破碎時細粒煤塵的飛揚；水的濕潤作用使煤的塑性增加，大量減少了煤體破碎為塵粒的可能性，降低了產塵量。同時，煤層經過水的充分濕潤后塑性增加，能有效控制煤壁片幫，防止冒頂事故發生，有利于工作面的頂板管理，提高工作面生產能力。

針對平禹一礦13110工作面煤層賦存情況，采用深孔注水方式進行礦塵治理，確定了注水時機、鉆孔間距和深度、注水壓力等工藝參數，在13110工作面進行了成功實踐。工作面注水后煤層含水分增幅達到91.2%，降塵率達到了63.3%；采煤工作面產量由原來的5萬t/月左右，提高到8萬t/月，實現了綜采放頂煤工作面安全高效生產。